马凯 说明书

中北大学2010届毕业设计说明书第1页共36页1.绪论1.1航炮的简介航炮又称航空机关炮，口径在20毫米以上，是安装在飞机上的一种自动射击武器。当前航空自动武器的口径，除个别外，多为7.62-30mm。航空自动武器与地面及舰艇用自动武器的区别，在于其需满足作战飞机战术技术方面的特殊要求，别由此导致性能要求的不同于结构上的不同，而逐渐形成独立的炮种。1.2航炮的发展背景及历史现在飞机的航空武器系统包括航炮、火箭及导弹、炸弹、发射及投放装置以及火控系统等。50年代中期，航炮一直是空战的主要武器。此后空对空导弹一出现，曾有人认为未来战争中不再需要歼击机进行空中格斗，远程高空高速轰战机攻击敌方战略目标时，也不许歼击机护航；即所谓的格斗过时论。一度各国不少歼击机纷纷取消航炮而只装备导弹，使得航炮的发展出现了低潮。中东及越南战争的经验证明，航炮仍不失为对空中及地面目标实施攻击的有效武器之一。人们开始着重考虑常规战争的需要，于是在发展空对空导弹的同时，航炮又重新得到了发展。导弹虽具有射程远、威力大以及不需精确瞄准等优点，而航炮则具有不受电子及红外干扰，可以持续射击、价格低并可多次使用等导弹所没有的优点。目前人们所比较一致的认识是导弹与航炮各有所长短，两者混装的方案将长期存在。在军用直升机行列中，武装直升机是一种名副其实的攻击性武器装备，因此也可称为攻击直升机。它的问世使军用直升机从战场后勤的二线走到战斗前沿，由不具备攻击力的“和平鸽”成为在树梢高度搏击猎物的“雄鹰”。作为一种武器装备，武装直升机实质上是一种超低空火力平台，其强大火力与特殊机动能力的有机结合，最适应现代战争“主动、纵深、灵敏、协调”的作战原则，可有效地对各种地面目标和超低空目标实施精确打击，使之成为继火炮、坦克、飞机和导弹之后又一种重要的常规武器，在现代战争中具有不可取代的地位与作用。60年代中期专用武装直升机的兴起，给航炮的发展开辟了新途径。在武装直升机空中格斗、支援地面作战以及对付轻甲目标甚至反坦克等作战任务中，用中北大学2010届毕业设计说明书第2页共36页航炮设计获得较好的效果。由于武装直升机的战术使用不同于其他机种，对航炮的要求也不尽相同，如要求更低的后座力，而不要求过高的射速等。2.缓冲器的总体设计思想与方案论证本课题研究的是航炮的缓冲装置设计，航空自动武器常用的缓冲装置，一般分弹性缓冲器、气体缓冲器和油压减冲筒几种，它们多用于吸收基本构件到位时的剩余能量。弹性缓冲器是武器工作时，通过弹性介质缓解武器对武器装架的作用，以减小后坐力和前冲力的装置。这种缓冲器用于缓冲作用在武器体部上的力和冲量，减小武器的后坐力。后坐力是航炮的重要技术指标之一，按航炮的传统定义为航炮设计是缓冲装置或炮架变性产生的弹力，因此，同一门航炮安装在不同刚度的炮架或缓冲装置上，其后坐力变化规律是不同的。后坐力的大小及其变化规律对飞机结构的载荷与响应，飞行姿态及射击精度等都有明显的影响。此外缓冲装置能减小武器作用与炮架上的力，因而时炮架的变形减小，从而可提高武器的射击精度。但是，使用缓冲装置以后，由于武器体部周期性的振动，可能影响机构正常工作，如单带前后摆动影响进弹，机心运动受体部牵连速度影响后退不到位等。弹性缓冲器广泛地用于气推式，转膛式，转管式等航空自动武器上。由于弹性缓冲器能减小武器作用于武器装架上的力，因而时武器装架的变形减小，从而可以提高武器的射击精度。但是，使用弹性缓冲器后，武器体部产生周期性振动，可能影响机构的正常工作。弹性缓冲器的作用有：(1)缓冲作用在武器体部上的力和冲量，减小武器的后坐力;(2)弹丸出炮口前保证炮身沿炮膛轴线作后座运动，以减小射弹散布；(3)使炮身与炮架成刚性连接，以避免在后坐或复进时炮身对炮架的直接作用。在设计时为了达到以上要求，成功地吸收基本构件到位时的剩余能量，本缓冲器的缓冲簧选用蝶形弹簧，蝶形弹簧的特点是：外形尺寸小，工作变形小，刚度大，承载能力大，轴向尺寸小，适用于空间有限，并有大量能量需要吸收的缓冲器。在缓冲器设计中，关键是缓冲簧的设计，其它机构在缓冲簧确定的基础上中北大学2010届毕业设计说明书第3页共36页逐一确定。2.1缓冲器简介2.1.1普通弹性缓冲器普通弹性缓冲器如图1所示。这类缓冲器体部与炮架相固连，航炮体部则与缓冲器的耳环相固连。航炮后座时，两岸上的螺套推压前垫圈，由于后垫圈支撑在缓冲器体部上，所以弹簧被压缩。此时，作用在体部上的力及冲量，经弹簧缓冲后传给炮架，其受力方向向后。当航炮后座能量耗尽时，即开始附近，复进过程中，力的传递情况与后坐时相同，只是后坐时弹簧力由大变小，复进时则相反。航炮复进到起始位置后，由于从缓冲簧获得动能，将越过起始位置继续前冲，连杆上的凸肩推压后垫圈，压缩缓冲簧，传给体部的力是向前的。当航炮前冲能量耗尽后，即开始返回到起始位置后，尚具有一定动能，航炮将重复上述运动，形成航炮在缓冲器上的振动，直到其动能耗尽为止。2.1.2带常阻阻振器的弹性缓冲器带常阻阻振器的弹性缓冲器如图2所示，在结构上比普通弹性缓冲器多一阻振器。阻震器依靠摩擦块与缓冲器体部的挤压而产生的摩擦力来衰减武器的运动，可使武器在缓冲器上的运动振幅减小。武器运动时，阻振器簧、锥形套、切衬筒、摩擦块都随武器一起运动，于是摩擦块与不动的阻振器体部直接产生摩擦力。此摩擦力的方向与武器运动方向相反，在武器后退、复进、前冲、返回各阶段都器缓冲作用。如拧紧螺帽，阻振器簧力增大，锥形套对切衬筒的挤压力增大，中北大学2010届毕业设计说明书第4页共36页使摩擦块紧贴阻振器体，摩擦力增大。反之，旋松螺帽，则摩擦力减小。此种缓冲器的缺点是结构比较复杂，在使用过程中必须保持良好的密封状态，以免油垢进入，而引起摩擦系数的变化。2.1.3带螺旋阻振器的弹性缓冲器此种缓冲器的机构原理如图3，其阻振器为一类似蜗杆的中控螺杆，螺杆的多头外螺纹与缓冲器体部后端的内螺纹相配合。航炮后坐与复进时，缓冲器的工作情况与普通缓冲器没有区别。前冲时，连杆的耳环前端面推压螺杆，螺杆推压后垫圈，此时缓冲簧的另一端通过前垫圈支撑在缓冲器体部上，于是弹簧被压缩。螺杆在被推压过程中，同时做螺旋运动，其两端与螺纹上产生摩擦力。返回过程中北大学2010届毕业设计说明书第5页共36页的工作情况与此相类似，只不过其方向是相反的。由此可见此种阻振器仅在前冲及返回过程中起作用。使用这种缓冲器的缺点是在武器振动循环中，只有半个周期起阻振作用。2.1.4高效吸能缓冲器高效弹性缓冲器的缓冲工作原理，依然是靠弹性系统何摩擦系统的吸能作用，缓解武器对装架的力何冲量作用，而减小后坐力和前冲力。此类缓冲器的特点是采用了效率低，耗能大的环形簧或钢丝弹簧垫作为后退缓冲件，并辅以效能大的摩擦装置何复进缓冲簧。此种缓冲器的缺点是结构较复杂，维护比较困难，且对其中某些零件的材料性能要求较高。综上所介绍，结合设计所要求选取普通弹性缓冲器作为本设计所用的缓冲器。3.动力学计算缓冲器的方案确定后，就可以进行诸多方面的分析。首先要做的就是对该模型进行受力分析，由于缓冲器在其工作过程中受力比较复杂，因此可以在这个基础上做一些合理的假设。以简化计算，方便分析，具体假设如下：(1)为保证良好的射击精度，采取以下假设：(2)架座保持稳定，否则，架座的移动和跳动要吸收一部分后坐能量；(3)架座是刚体，即略去其变形吸收的能量；中北大学2010届毕业设计说明书第6页共36页(4)略去缓冲簧因内耗损失的能量，认为弹簧力随位移呈线性变化，后坐时吸收的能量在复进时全部放出；(5)为了便于计算，取射角等于零；(6)略去因动力偶而增大的滑板摩擦阻力，取滑板摩擦阻力Fr为一常量。根据以上假设，其系统可简化成以下模型：图2-1航炮在缓冲器上运动1.航炮2缓冲器3炮架3.1内弹道计算内弹道计算是整个火炮设计和反后坐装置设计过程的理论基础，它是对火炮的射击现象进行理论分析，并用一系列假设来简化复杂过程，从而建立数学方程式，将炮膛结构诸元和装药条件与射击结果联系起来。为了进行内弹道计算，我们必须将体现射击现象物理实质的方程组综合进行计算。但是由于射击现象的复杂性，以及我们目前认识的局限性，对膛内的各种现象认识也不完善，甚至有些现象还没有认识到。所以，在建立内弹道方程组时，我们只能根据现有的认识水平来分析膛内的各种矛盾，并抓住其中的主要矛盾来建立方程组，对于一些次要的矛盾则忽略不计。因此，为了进行内弹道计算，必须提出以下假设。所选用的弹的参数如下：口径d(mm)30余容α(dm3/kg)1弹丸重量q(kg)0.41装药量ω(kg)0.1225炮膛横截面积S(dm2)0.0729压力指数n0.82药室容积W0(dm3)0.1249燃速系数u16.21*10^-5身管行程lg(dm)23火药力f(J/kg)950000中北大学2010届毕业设计说明书第7页共36页启动压力p0(kpa)30000装药厚度(m)0.00325火药热力系数0.2装药火药内径(m)0.00325次要功系数k1.003.1.1内弹道基本假设1)火药燃烧遵循几何燃烧定律。2)药粒均在平均压力下燃烧，且遵循燃烧速度定律。3)内膛表面热散失用减小火药力f或增加比热比k的方法间接修正。4)用系数来考虑其他的次要功。5)弹带挤进膛线是瞬时完成，以一定的挤进压力0P标志弹丸的挤进条件。6)火药燃气服从诺贝尔－阿贝尔状态方程。7)单位质量火药燃烧所放出的能量及生成的燃气的燃烧温度均为定值，在以后膨胀做功过程中，燃气组分变化不予计及，因此虽然燃气温度因膨胀而下降，但火药力f、余容及比热比k等均视为常数。8)弹带挤入膛线后，密闭良好，不存在漏气现象。3.1.2火药几何燃烧规律1)装药的所有药粒具有均一的理化性质，以及完全相同的几何形状和尺寸。2)所有药粒表面都同时着火。3)所有药粒具有相同的燃烧环境，因此燃烧面各个方向上燃烧速度相同。3.1.3内弹道方程组1)体现火药燃烧时气体生成规律的几何燃烧定律方程：分裂前2=Z1+)ZZ（(2.1)分裂后=Z1+)SSZ（(2.2)火药的形状特征量：1112QQ中北大学2010届毕业设计说明书第8页共36页111122nQ211(1)2nQ220012(2)DndQc0012Dndc122ec221sbsbbZZZ1sss11beZe10.2956()re2)体现火药燃烧时气体生成规律的速度燃烧定律的方程11dZdtnupe3)体现弹丸运动以及考虑各种次要功的弹丸运动方程mdvSpdt4)体现弹丸速度和行程关系的方程dlvdt5)体现膛内气体状态以能量转换过程的内弹道学基本方程2()2Spllfmv式中：[1(1)]pl中北大学2010届毕业设计说明书第9页共36页1k上述方程是在上述假设基础上建立起来的，组成了内弹道方程组，把以上方程通过数学变换可以得到以下方程组：2112=Z1+)dZ1dt()2nnkZZuppeIdvmSpdtdlvdtSpllfmv（常量计算公式：0W00lWs2jfvm2222121()nSeBffmu0gglll初值计算公式：000vt00ppf(2.24)00111()ppfp(2.25)中北大学2010届毕业设计说明书第10页共36页004[11]2Z(2.26)以上微分方程和代数方程组成了内弹道的数学模型，是本次编写内弹道计算程序的依据。内弹道编程后得到如下图3.2后效期计算3.2.1确定火药气体作用系数=0vAA为经验系数取1250-1275取为1520v0为初速即为810sm故可得=1.54323.2.2确定出炮口时炮膛合力FgFg=AP中北大学2010届毕业设计说明书第11页共36页A为炮膛横截面积0.0729dm2P为膛底压力由程序可得为44.